雙護盾TBM小半徑曲線地鐵隧道施工技術

劉俊生

（中鐵隧道集團二處有限公司，河北 燕郊 065200）

雙護盾TBM小半徑曲線地鐵隧道施工技術

劉俊生

（中鐵隧道集團二處有限公司，河北 燕郊 065200）

青島地鐵2號線利津路站～臺東站區間隧道處于兩段小半徑曲線內，曲線半徑分別為350m和320m，隧道曲線半徑幾乎達到了TBM施工的極限轉彎半徑。為滿足TBM施工中的曲線轉彎半徑需求和管片拼裝質量，分析TBM隧道施工過程中，小半徑曲線導致TBM卡盾、線路不符合設計要求和管片錯臺破損的施工風險，從設備選型及改造、施工工藝措施方面予以優化：（1）通過調整墊片墊高滾刀實現小半徑曲線隧道擴挖；（2）選擇合適的管片型號適應轉彎半徑；（3）合理的施工參數及工藝措施對掘進姿態控制的必要性。隧道施工結果表明，經過設備改造和施工工藝優化，達到了小半徑曲線隧道TBM施工的質量控制目標。

青島地鐵；小半徑曲線；TBM；施工技術

由于在城市中建筑物較為密集的地段修建地鐵，普通的施工工藝受地面上建筑物、城市道路、地質和水文條件、施工設備以及建設資金等因素的影響較大，隨著設備技術的發展，近些年來，全斷面隧道硬巖掘進機（TBM）在城市地鐵中越來展現出其先進性。尤其是雙護盾TBM，在地鐵隨帶施工中實現掘進、管片拼裝和出渣流水作業一次成洞，使隧道施工達到高質量、高標準和保安全的施工目的，其設備結構形式和施工特點受到施工單位的青睞。本文根據青島地鐵2號線隧道曲線半徑和設備特性等因素，對TBM工法在青島地鐵小半徑曲線施工中的應用進行研究總結。

1.工程概況

青島地鐵是國內首次將雙護盾TBM運用至地鐵施工，青島地鐵2號線一標03工區利津路站～臺東站區間包括2段小半徑曲線，曲線半徑分別為350m、 320m。利臺區間由利津路站出發左轉進入半徑為350m的小半徑曲線，起訖里程為YSK26+048.349～YSK26+102.963，總長54.614m。然后通過左轉緩和曲線、直線、緩和曲線右轉進入半徑為320m的小半徑曲線，起訖里程為YSK26+249.070～YSK26+589.028，小半徑曲線總長339.958m。

區間隧道采用雙護盾TBM施工，結構裝配式鋼筋混凝土管片，管片內、外直徑分別為5.4m和6.0m，管片厚度300mm。

2.施工難點

2.1隧道整體向弧線外側偏移，軸線難以控制

雙護盾TBM在小半徑曲線隧道掘進施工中，管片橫向與線路的法線方向在水平方向上形成一定的角度，在輔推油缸的推力下向外產生一個側向分力。管片脫盾尾后，受到側向分力的影響，管片襯砌發生向曲線外側偏移的趨勢。

另外，由于雙護盾TBM盾體外殼與管片外側存在15cm空隙，在施工過程中，豆粒石不能做到同步回填，管片襯砌外側空隙與填充回填方量不一致。如果存在空隙或豆粒石與水泥漿凝結體強度較低的現象，則小曲線半徑的管片襯砌將在側向分力作用下將向曲線外側發生偏移。

2.2地層損失增加

雙護盾TBM在掘進線路為連續的折線，且掘進方向的外側出渣量較大，這樣造成掘進軸線外側巖體損失，并形成不均勻受力空間。

在施工中調整設備結構形式和正常掘進參數的條件下，小半徑曲線隧道掘進也會增大不均勻受力空間。曲線地鐵隧道的底層應力損失的大小與雙護盾TBM主機的長度密切相關；與直線隧道相比，雙護盾TBM在曲線隧道施工中的地層應力損失，可能隨著曲線半徑的變小而增大。

2.3糾偏量工作量大，對土體擾動的增加

由于雙護盾TBM主機為2段直線形剛體，小半徑曲線隧道施工中，盾體不能與線路曲線完全擬合。雙護盾TBM掘進形成的小半徑段隧道由一段段連續的折線組成，為了讓連續折線與小半徑段隧道軸線充分擬合，TBM掘進施工時需連續糾偏。曲線半徑越小，TBM主機長度就顯的越長，則糾偏量越大，糾偏效果越低。

掘進中的糾偏頻率和糾偏量的變大，增加了對地層擾動，其結果就是延長了圍巖的后期沉降時間。在小半徑曲線隧道掘進時，如果地層的剛度和隧道的縱向剛度偏小，可能引起管片襯砌和外側地層產生的較大位移，甚至發生較大范圍的地層土體的擾動變形。

2.4容易造成管片破損

雙護盾TBM換步過程中需要輔推油缸對管片施加壓力，以固定管片姿態，在一個換步過程中，尤其是在小半徑曲線段上施工時，TBM盾體的姿態曲線變化較大，這就在輔推油缸靴板與管片之間產生一個向外的微小滑移趨勢，在換步過程中導致管片局部受力過大而產生裂紋或破碎。

同時管片外側豆粒石松散，可向外側偏移擠壓地層，使管片姿態和結構穩定受到影響，極易造成TBM的尾盾與管片卡殼及管片碎碎現象發生。

2.5糾偏不及時極易造成TBM卡盾

小半徑曲線隧道均處于向左或向右轉彎狀態，鑒于TBM盾體的長度和隧道曲線半徑，需要持續地保持掘進行良好地程差掘進施工，掘進司機如不能控制好掘進參數，需要頻繁地糾偏，如果糾偏不及時，極有可能造成卡盾現象。

3.技術措施

3.1掘進前起始狀態

3.1.1前盾的起始姿態

前盾到轉彎處要由設計直線軸線過渡到曲線軸線。正常狀態刀盤開挖直徑為6300mm，前盾外徑6240mm，前盾與洞壁單側間隙為30mm，尾盾外徑6150mm，盾尾與洞壁單側間隙為75mm，經過計算不超挖的最小轉彎半徑為600m，如果涉及開挖曲線最小半徑為320m，則前盾姿態調整有以下兩種方法：①使用超挖刀，一次性調整好支撐盾與前盾間夾角；曲率半徑為固定的320m。②不使用超挖刀，而曲率半徑依次從600m遞減到320m。

3.1.2支撐盾的起始姿態

此時主推進缸處于收縮狀態，內外伸縮盾處于重疊狀態，此時前盾與支撐盾的夾角為θ。

式中：

W——支撐盾起始測量點到撐靴中心距離（此數值為固定值由盾體結構決定）；

L——在直線推進時前盾與支撐盾的初始測量長度（此數值為固定值由操作人員確定）；

R——隧道的設計軸線曲率半徑；

以向左轉為例

此時的測定左側距離傳感器的測量長度為Lb：

a——左側傳感器到盾體中心的距離

此時測定右側距離傳感器的測量長度值為Lr：

b——右側傳感器到盾體中心的距離

左右傳感器測量長度差△L：

結論：TBM換步時首先把前盾測量端面姿態與隧道的設計軸線垂直，中心與隧道的設計軸線相切，固定前度。然后調節盾尾姿態，盾尾姿態要以左右兩側傳感器的位移差為依據。可采用主推油缸快速同步移動和慢速差動微調來保證兩側傳感器的差值；按此差值可以保證在主推油缸初始狀態下盾尾位置正確。

3.1.3伸縮盾的初始姿態

外伸縮盾：外伸縮盾與前盾固定連接，姿態隨刀盤和前盾變化。

內伸縮盾：與支撐盾鉸接，通常狀態下鉸接油缸前后腔都有一定壓力，這是內伸縮與支撐盾處于平行狀態，由于內外伸縮盾間隙10mm，在小曲率半徑條件下前盾與支撐盾由夾角θ，所以外伸縮盾與內伸縮盾會產生干涉。因此此時應對鉸接油缸的工況進行調整，釋放鉸接油缸前后腔壓力使內伸縮盾外伸縮盾浮動，消除相互干涉。

3.2施工參數設定

3.2.1掘進軸線預偏設置

在TBM掘進過程中，要加強對推進軸線的控制。曲線推進時TBM實際上應處于曲線的切線上，因此推進的關鍵是確保對TBM姿態的控制。

管片在承受側向壓力后，將向弧線外側偏移。為了確保隧道軸線最終偏差控制在規范允許的范圍內，TBM掘進時給隧道預留一定的偏移量。根據理論計算和相關施工實踐經驗的綜合分析，同時需考慮掘進區域所處的地質情況，在小半徑曲線隧道掘進過程中，將設置使其向曲線內側（圓心側）預偏移30mm～50mm。施工中通過對小半徑段隧道偏移監測，適當調整預偏量，預偏量如圖1所示。

3.2.2TBM掘進參數選擇

（1）嚴格控制TBM的推進速度

推進時速度應控制在3cm/min～4cm/min，降低因掘進推力過大而引起的向外分力的增大，減小TBM推進過程中對地層的擾動和糾偏量。另外，在小半徑曲線段為避免輔推千斤頂對管片造成破損，可采取短行程多循環的掘進換步方式，可按照每30cm～50cm收縮主推千斤頂進行換步，使得輔推油缸對管片的側向壓力滑移的趨勢降低，同時有助于TBM在掘進過程中的糾偏調向。

（2）嚴格控制TBM正面掘進力

必須嚴格控制掘進過程中的相關施工參數，推進貫入度、刀盤轉速等。防止發生大方量的超挖，盡量減少掘進參數的大幅跳動。

（3）嚴格控制豆粒石的填充密度和漿液回填量

由于雙護盾TBM在小半徑曲線段隧道施工中，管片會受到向外側的一個擠壓分力，因此在小半徑曲線段施工時應嚴格控制漿液回填量，確保盾尾段管片漿液回填總量到位。通過及時灌注水泥漿液，減少施工過程中的管片軸線偏移量。注漿量未達到施工要求時暫停推進，以降低管片軸線偏移。

根據施工中的變形監測情況，可增加盾尾段雙液漿止漿環，從而有效地控制管片拼裝軸線。

3.2.3嚴格控制TBM糾偏量

TBM的曲線掘進實際上是處于線路的切線上，掘進的重點是確保對TBM的刀盤姿態控制，由于TBM曲線掘進時都在糾偏，必須跟蹤測量，保證掘進行程差的前提下縮小糾偏量，確保轉彎環的端面始終處于線路軸線的徑向豎直面內。

通過計算得出在半徑320m曲線轉彎下每環TBM左右主推油缸的行程差需控制在28mm～33mm，通過利用TBM主推油缸行程差來控制其糾偏量。同時，分析管片的選型，針對不同的管片類型選用不同的行程差。在小半徑曲線隧道掘進中，雙護盾TBM的糾偏量控制在3mm～5mm/環。

3.2.4盾尾與管片間的間隙控制

小半徑曲線隧道的管片拼裝質量尤為重要，而管片拼裝質量的一個重要因素是管片的盾尾間隙。控制好盾尾間隙有助于管片拼裝，也利于TBM姿態糾偏。

（1）在管片選型時，應根據盾尾間隙進行合理選擇，使管片與盾尾間隙得以調整，便于下環管片的拼裝，有助于管片隧道的成型效果擬合隧道設計軸線。

（2）根據盾尾與管片間的間隙，合理選擇轉彎環管片。小半徑曲線段時，雙護盾TBM的管片盾尾間隙變化主要出現在水平方向，管片轉彎趨勢跟隨主機掘進方向，當主機轉彎過快時，曲線外側的管片盾尾間隙就相對較小；當管片因楔形量等原因大于掘進轉彎形成差時，曲線內側的盾尾間隙就相對較小。因此，當無法通過主推油缸行程差和管片拼裝來調整盾尾間隙時，可考慮采用轉彎環和標準環管片組合的方式適應盾尾間隙變化。另外，在小半徑曲線隧道掘進過程中，將管片向曲線內側預偏移20mm～40mm，增加管片拼裝對盾尾間隙的適應性。

3.3管片選型

本工程管片采用平板型單層管片襯砌、錯縫拼裝（局部通縫拼裝），管片外徑6.0m，厚0.3m，環寬1.5m，每環管片分6塊，由封頂塊（F），鄰接塊（L1、L2），標準塊（B1、B2、B3）構成，管片分塊組裝方式采用3B+2L+1F。為滿足直線段和曲線段施工和糾偏的需要，設計了有標準環和左、右轉彎環，轉彎環楔形量38mm，通過標準環與轉彎環的各種組合來擬合不同的線路。

以320m半徑為例計算轉彎管片選型，主要依據是線路軸線，可計算出轉彎時的管片排版如下：

轉彎環偏轉角的計算公式：

式中：

θ——轉彎環的偏轉角；

δ——轉彎環的最大楔形量的一半；

D——管片直徑。

將數據代入，得出θ=0.2864

根據圓心角的計算公式：

式中：

L——一段線路中心線的長度；

R——曲線半徑，取320m；

而θ=α，將之代入，得出：

上式表明，在320m的圓曲線上，每隔1.60m要用一環轉彎環。青島地鐵采用的管片長度為1.5m，即在320m的圓曲線上，加上糾偏，標準環與轉彎環的拼裝關系為：1環標準環+15環轉彎環。

3.4擴挖刀墊厚措施

TBM刀盤上安裝有19寸擴挖刀，在進行擴挖施工時在邊刀刀座與滾刀之間增加墊片，使邊刀外伸以達到擴挖的目的。通過加墊法把邊刀墊高，推動C型嵌入座外移，來實現超挖，邊刀墊后尺寸見表1。

表1　刀墊厚度統計表

在進行擴挖施工時，首先將刀盤適當后退，在已經開挖的掌子面洞壁處用風鎬或其他工具開挖出安裝新刀空間，安裝擴挖施工的刀具。利用電機驅動系統緩慢轉動刀盤，以較慢速度轉動刀盤，利用新安裝的刀具擴挖洞壁，擴挖完成后開始進行推進作業。推進時，要用小推力緩慢推進，直到新刀已擴挖出一定距離，設備運行平穩后，方可正常操作掘進。在安裝新刀擴挖時，刀盤轉速和推進力不要過大，防止新刀的損壞。

擴挖施工時要注意啟動和推進作業，嚴格按照擴挖施工程序進行，避免啟動過猛或推進過快造成新安裝刀具的損壞。

3.5及時注漿

管片背后回填注漿對減少地層變形和維持管片穩定起著重要的作用，也是控制地面建筑物和管線沉降變形的有效措施。因此小曲線半徑隧道掘進施工時，應密切關注TBM掘進和注漿的綜合影響，按比例拌合水泥單液漿，并在合適位置進行管片背后注漿，同時加強地面監控量測。

3.6TBM測量與姿態控制

TBM的測量是確保隧道軸線的根本，在小曲率半徑段對TBM的測量尤為重要。

在小半徑曲線段掘進時，應適當提高隧道測量的頻率，通過多次測量來確保導向系統數據的準確性。同時，可以通過測量數據來反饋TBM的掘進姿態和糾偏。

由于隧道轉彎半徑較小，隧道內的通視條件相對較差，因此必須多次轉站、設置新的控制點和后視點。在設置新的全站儀控制點后，應嚴格加以復測，確保測量點的準確性，防止造成誤測。同時，由于管片小半徑轉彎的側向分力較大，可能造成管片襯砌的水平移動，所以必須定期復測后視點，保證其準確性。

由于線路的急轉彎，間距5-15環布置測量支架，每推進5環復測一次導線點。TBM掘進進采用自動導向系統，推進時每30s自動記錄一次TBM姿態。

TBM主機組裝后，應進行TBM縱向軸線和徑向軸線測量，其主要測量內容包括刀盤、前盾、中盾和盾尾姿態測量；TBM外殼長度測量；TBM刀盤、盾尾的直徑測量；以及盾尾的橢圓度測量。TBM掘進時姿態測量應包括其與線路中線的水平方向、高程、縱向坡度、滾動角的測量。

3.7監控量測及信息反饋

（1）跟蹤監測

在小半徑曲線段施工時加大人工監測頻率，在TBM后配套通過后對隧道管片姿態隨時跟蹤監測，把信息及時反映給TBM操作人員，以便根據管片變形程度調整掘進參數。

（2）針對該區間隧道沿線的建（構）筑物及地下管線設施，結合TBM掘進施工中引起地面沉降的機理采用如下監測內容：①地表環境沉降監測：地表沉降地下管線沉降和建（構）筑物沉降；②在建隧道沉降監測。

4.施工效果

本段雙護盾TBM施工的小曲線半徑隧道，在國內地鐵施工中尚屬首例，該段小曲線半徑隧道對設備的適應性和施工技術管理水平提出了嚴苛的考驗，在采取了本文所述的措施后，利津路站～臺東站區間隧道貫通后，整條隧道軸線均控制在-50mm～50mm范圍之內，TBM小半徑曲線施工成型隧道符合驗收標準，平均錯臺控制在1cm以內，管片破損和漏水部分較少，地表沉降控制在-15mm～0mm范圍之內，各項指標達到優良工程標準，很好地完成了這一重難點的施工任務。

5.結論與建議

（1）在雙護盾TBM小半徑曲線隧道施工中，既有和一般的隧道掘進相同的一面，又有其特殊性，我們要著重研究和控制它差異的一面。

（2）在雙護盾TBM小半徑曲線隧道施工中，要抓住隧道軸線曲率大半徑小、盾體姿態難以控制的特點，選擇好盾體掘進姿態，使用好擴挖刀，要在更小更嚴的糾偏幅度中進行各種參數優化。

（3）在雙護盾TBM小半徑曲線隧道施工中，針對TBM管片易向隧道軸線外側偏移的特征，最好使用雙液漿作為同步注漿。當采用惰性漿時，要做好軸線預偏及二次注漿工作，加強監測，進行動態管理，信息化施工。

［1］陳強.小半徑曲線地鐵隧道盾構施工技術［J］.隧道建設，2009（8）：98-99.

［2］張穎，李銘軍，何肖健.小半徑曲線盾構隧道設計及施工新技術［J］.都市快軌交通，2010（10）：128.

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